地球資源與日俱減,因而開發(fā)新一代的能源成為當代的必然要求。鋰離子電池作為新一代的儲能設備已經(jīng)受到眾多研究人員的關注與研究。但是,現(xiàn)行的鋰離子電池正極材料依然受到制造成本高,容量小,能量密度低等缺陷的制約而限制了其進一步推廣應用。與此同時,鋰硫電池的出現(xiàn)彌補了現(xiàn)行鋰離子電池的不足,為鋰離子電池提供了更大的應用潛力。但是鋰硫電池本身同時存在一定缺陷,硫單質材料本身的電子絕緣和離子絕緣的特性,充放電過程中間產(chǎn)物反復發(fā)生的穿梭效應與硫單質在充放電前后發(fā)生體積膨脹效應等,均對鋰硫電池電極材料結構產(chǎn)生了較大的破壞,造成了鋰硫電池充放電過程中電極材料損失嚴重,循環(huán)性能差的現(xiàn)狀。針對鋰硫電池面對的問題,本文主要通過制備形貌可控的分級多孔碳材料基體,控制硫材料的形貌與尺寸以及探究復合方式對電化學性能影響的設計思路,以此優(yōu)化改性鋰硫電池性能。具體研究內容和結果如下:（1）首先以梧桐落葉作為碳前軀體,在磷酸的活化作用下,通過更為簡易的實驗步驟成功制備了形貌可控的分級多孔生物質碳材料。在不同的磷酸與碳前軀體配比下,制備了一系列分級多孔碳材料,且具有良好的比表面積與孔容。將磷酸與碳前驅體的質量比為3:1和6:1... 

【文章來源】：濟南大學山東省

【文章頁數(shù)】：70 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

鋰硫電池(a)充放電曲線和(b)工作原理

濟南大學碩士學位論文9圖1.2MPCSs的氮氣吸脫附曲線與孔徑分布常見的炭黑也是一種零維碳材料。Li等[64]利用KOH的活化作用對商業(yè)化導電炭黑(CCB)進行了水熱、高溫活化處理，得到A-CCB碳材料，極大提升了炭黑材料原有的比表面積與孔體積，有助于提升碳硫復合材料的電化學性能。與單質硫材料進行復合后得到復合材料S@A-CCB，在復合材料的載硫量為64%時，鋰硫電池具有更好的電化學性能，在0.1C倍率下，放電容量可以達到1175mAh/g。Sun等[65]在材料的表面引入羧基官能團，對納米炭黑顆粒(NCB)進行了表面改性，并利用沉積法，在溶液反應中完成硫材料的復合過程并制備了NCB-S@NCB結構的復合材料，在0.1C的倍率下，材料的首次放電容量達到1258mAh/g，經(jīng)過100次循環(huán)后，放電比容量為865mAh/g。1.3.1.2一維碳材料一維碳材料主要包括有碳納米纖維和碳納米管，由于其制備過程通常涉及到高溫碳化處理，因而材料通常具有較高的或者完全的石墨化程度，且軸向尺寸遠大于徑向尺寸，可以提供穩(wěn)定且連續(xù)的導電框架[66]。碳納米管由于具有較高的導電率(102~106S/cm)和優(yōu)秀的結構穩(wěn)定性等優(yōu)點，因而在鋰硫電池中也得到了廣泛的研究與應用。Wu等[67]通過PMMA和PAN反應成功制備了具有多孔結構的碳納米纖維，如圖1.3所示，利用多孔結構對多硫化物穿梭效應與硫單質體積膨脹效應的緩解作用，以及碳納米纖維本身良好的導電性與優(yōu)秀的結構穩(wěn)定性的特點，極大提升了鋰硫電池的電話學性能，在0.1C倍率下，經(jīng)過100次循環(huán)測試，材料的可逆比容量為780mAh/g，容量保持率為87%。Zhang等[68]通過反應制備了由碳納米纖維和碳納米管構成的一體化電極，制備的一體化電極具有更加優(yōu)良的導電性、結構穩(wěn)定性以及材料柔性，是一種三維的互聯(lián)結構，可以有效提高復合材料中的硫含量以及緩?

濟南大學碩士學位論文10而在電極材料的制備過程中不再需要額外引入粘結劑與集流體，從而降低了電池的總體重量。S-MWCNT復合電極材料在1C和4C倍率下的放電比容量分別為1352mAh/g和1012mAh/g。圖1.3S/MhMpCFs復合材料合成過程示意圖1.3.1.3二維碳材料石墨烯為主要應用于鋰硫電池中的二維碳材料，具有優(yōu)秀的導電性(106S/cm)，高比表面積(2600m2/g)，機械強度高，結構穩(wěn)定性好等優(yōu)點[70]。Zhou等[71]通過在石墨片層之間插入多孔空心碳球的方法，成功制備出了一體化電極，在一體化電極的載硫量為3.9mg/cm2時，材料在3C倍率下的充放電比容量為400mAh/g，在循環(huán)性能方面明顯優(yōu)于通過石墨制備得到的復合正極材料。Xiao等[72]將納米硫材料、大分子導電聚合物以及氧化還原石墨烯進行復合，并成功制備了三元復合的一體化電極。其中，由于大分子導電聚合物具有優(yōu)良的導電性與結構穩(wěn)定性，制備得到的一體化電極的電化學反應速率得到明顯提升，在0.2C倍率下，三元復合的一體化電極比傳統(tǒng)的石墨烯包覆納米硫電極擁有更高的充放電比容量以及更穩(wěn)定的循環(huán)性能。Chong等[73]利用片層狀的石墨烯材料經(jīng)過快速干燥處理后，材料表面出現(xiàn)褶皺的特性，通過濕法的靜電紡絲技術合成了導電性優(yōu)良的柔性帶狀正極復合材料(rGO/GC/S)，如圖1.4所示。在制備的帶狀復合正極材料中，由石墨烯團簇(GC)和石墨烯片層(rGO)構成的海綿狀導電多孔結構，可以為鋰離子和電子的快速傳輸提供通道，改善電極材料的倍率性能。經(jīng)過測定，制備的柔性帶狀復合電極的整體導電率為29.4S/cm-1，在0.2C的倍率下，循環(huán)100次之后，電極材料依然具有524mAh/g的比容量。Evers等[74]通過氧化石墨烯(GO)氧化多硫化鈉的方法，在溶液中經(jīng)過一步反應制備得到了石墨烯-硫復合材料(GSC)。經(jīng)過測定，復合材料?

【參考文獻】：
期刊論文
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碩士論文
[1]鋰硫電池硫/碳復合正極材料的研究[D]. 李振華.哈爾濱工業(yè)大學 2014



本文編號：3218583